Kỹ thuật tái sử dụng tần số mềm trong mạng LTE

Mô hình kênh chuyển mạch hai trạng tháicơ chế mã hóa mã chập ghép nối nối tiếpTrong bài báo này, kỹ thuật tái sử dụng tần số mềm được mô hình hóa và phân tích dựa theo các khuyến nghị của 3GPP cho mạng LTE. Trong đó, hoạt động của kỹ thuật tái sử dụng tần số được chia thành 2 pha riêng biệt: pha thiết lập và pha truyền tin. Trong pha thiết lập, người dùng sẽ được phân chia dựa trên công suất của tín hiệu nhận được. Trong pha truyền tin, việc truyền tin giữa người truyền và các trạm phát được thực hiện. Đại lượng đặc trưng của hệ thống là xác suất phủ sóng của người dùng sẽ được phân tích bằng các biểu thức toán học và kiểm chứng bằng mô phỏng Monte Carlo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Kỹ thuật tái sử dụng tần số mềm mạng LTE Lâm Sinh Công, Nguyễn Quốc Tuấn Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội Khoa Điện tử - Viễn thơng Email: {congls, tuannq}@vnu.edu.vn Tóm tắt nội dung—Kỹ thuật tái sử dụng tần số coi kỹ thuật then chốt để tăng dung lượng mạng hệ thống mạng LTE Trong báo này, kỹ thuật tái sử dụng tần số mềm mơ hình hóa phân tích dựa theo khuyến nghị 3GPP cho mạng LTE Trong đó, hoạt động kỹ thuật tái sử dụng tần số chia thành pha riêng biệt: pha thiết lập pha truyền tin Trong pha thiết lập, người dùng phân chia dựa cơng suất tín hiệu nhận Trong pha truyền tin, việc truyền tin người truyền trạm phát thực Đại lượng đặc trưng hệ thống xác suất phủ sóng người dùng phân tích biểu thức tốn học kiểm chứng mơ Monte Carlo Bài báo đưa kết luận quan trọng Đó việc tăng cơng suất phát trạm làm suy hao hiệu suất người dùng Index Terms: Xác suất phủ sóng, kỹ thuật tái sử dụng tần số mềm, mạng Poisson, LTE Power Cell 1 Cell 2 Cell Frequency I GIỚI THIỆU Trong năm gần đây, mạng thơng tin di động có tốc độ tăng trưởng nhanh số lượng lẫn lưu lượng Theo báo cáo Cisco [1], số lượng người dùng tăng gấp lần vòng 15 năm qua Báo cáo dự đoán đến năm 2020, số lượng thuê bao đạt đến 5.5 tỉ, tương đương với 70% dân số tồn giới Do việc cung cấp nguồn tài nguyên (tần số) cho thuê bao di động vấn đề cấp thiết Trong bối cảnh đó, kỹ thuật tái sử dụng tần số [2]–[4] 3GPP giới thiệu kỹ thuật khả thi có việc nâng cao hiệu suất sử dụng nguồn tài nguyên hệ thống Một cách tổng quát, kỹ thuật tái sử dụng tần số phân chia nguồn tài nguyên (các khối tài nguyên - RB) thành nhóm tài ngun Hình Nhóm thứ sử dụng để phục vụ người dùng có tỉ số tín hiệu-trên-nhiễu-cộng-noise (SINR) kênh điều khiển thấp Nhóm gọi nhóm biên (CE RBs) người dùng tương ứng gọi người dùng bên (CEU) Nhóm cịn lại được gọi nhóm trung tâm (CC RB) dùng để cấp phát cho người dùng trung tâm (CCU) có SINR kênh điều khiển cao Theo khuyến nghị 3GPP, hoạt động kỹ thuật tái sử dụng tần số chia làm giai đoạn sau: • Giai đoạn gọi q trình thiết lập, trạm phát dựa tín hiệu SINR kênh điều khiển để phân loại người dùng CCU CEU [2] • Giai đoạn gọi trình truyền tin, liệu truyền người dùng trạm phát Do kênh điều khiển chia sẻ dùng chung cho tất trạm công suất trạm kênh điều khiển giống Do đó, kênh điều khiển chịu ảnh hưởng nhiễu từ tất Hình trạm lân cận công suất nguồn nhiễu giống Bên cạnh đó, kênh liệu đường downlink hoạt động trạm phát có liệu để truyền cho người dùng Lưu ý công suất kênh liệu phụ thuộc vào người dùng mà phục vụ (CCU hay CEU) Do đó, số lượng nguồn nhiễu công suất nguồn nhiễug giai đoạn phụ thuộc vào số lượng CCU CEU hoạt động Việc đánh giá hiệu suất mạng sử dụng kỹ thuật tái sử dụng tần số yêu cầu cấp thiết Có nhiều phương pháp đánh giá hiệu suất mạng sử dụng sử dụng công cụ mô LTE Sim Network Simulation [4] sử dụng mơ hình tốn học [5]–[7] Thông thường, công cụ mô đánh giá hoạt động toàn hệ thống chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác chuyển giao, lập lịch, tái sử dụng tần số, Do đó, cơng cụ mơ khơng cho ta biết xác ảnh hưởng kỹ thuật tái sử dụng tần số Gần đây, mơ hình xác suất thống kê trạm phân bố theo phân bố Poisson không gian (gọi tắt PPP) [8]–[10] sử dụng rộng rãi để đánh giá hiệu suất mạng LTE Hiện nay, nhiều kết đánh giá hiệu suất mạng LTE sử dụng kỹ thuật tái sử dụng tần số dựa theo mô hình PPP trình bày báo cáo khoa học chuyên ngành Rất nhiều điều kiện khác việc phân chia CC RBs CE RBs, phân chia người dùng, xác định công suất phát xem xét đánh giá [11]–[13] Bên cạnh mơi điều kiên 108 cell tái sử dụng CE RB cell bên cạnh Đặt P cơng suất phát CC RB φP cơng suất phát CE RB (φ > 1) Đặt θ tập hợp trạm nhiễu người dùng đó, θc θe tương ứng tập hợp trạm nhiễu phát với công suất P φP (θc θe = θ) Mật độ trạm phát θc θe ∆−1 ∆ λ ∆ λ; ∆ gọi hệ số tái sử dụng tần số • Tại pha thiết lập: công suất nhiễu đo kênh điều khiển (0) −α P gjz rjz I0 = (2) j∈θ (0) • gjz rjz độ lợi kênh khoảng cách từ trạm nhiễu j đến người dùng z Tại pha truyền tin: công suất nhiễu đo đươc kênh liệu II MƠ HÌNH MẠNG Trong báo xem xét mô hình mạng vị trí trạm phát phân bố theo phân bố không gian Poisson (PPP) với mật độ trạm λ Hình Mỗi người dùng giả thiết kết nối với trạm gần Hàm mật đô (PDF) khoảng cách người dùng trạm kết nói fR (r) = 2πλre−πλr (3) j∈θe j∈θc khác môi trường truyền sóng cá mơ hình suy hao fading tập trung nghiên cứu [14], [15] Tuy nhiên cơng bố đó, khuyến nghị 3GPP hoạt động mạng LTE kỹ thuật tái sử chưa theo sát cách chặt chẽ Cụ thể như: • Nguyên lý hoạt động pha kỹ thuật tái sử dụng tần số định nghĩa cho CEU • Số lượng nguồn nhiễu cơng suất nguồn cho giai đoạn Trong kết gần đây, mơ hình ngun lý hoạt động pha cho đường uplink [16] Trong báo này, mơ hình hóa đường downlink cách theo sát khuyến nghị 3GPP Thông qua kết phân tích mơ phỏng, báo đưa kết luận đáng lưu ý hiệu suất mạng đường downlink sau: • Việc tăng cơng suất trạm phát làm giảm hiệu suất người dùng Điều trái với quan điểm phổ biến hiệu suất người dùng tỉ lệ thuận với công suất trạm phát • Hiệu suất hệ thống tỉ lệ thuận với số lượng CEU Điều đối lập với kết luận Tài liệu [13] giả [13] chưa định nghĩa pha hoạt động cho CCU −α φP gjz rjz −α P gjz rjz + I= Hình 2: Mơ hình mạng PPP Khi đó, SINR đo người dùng phase • Tại pha thiết lập SIN R0 = • P gr−α I0 + σ (4) r g khoảng cách độ lợi kênh người dùng trạm phát người dùng kết nối Tại pha truyền tin Do công suất phát để phục vụ CEU gấp φ lần công suất phát để phục vụ cho CCU, cơng suất tín hiệu nhận CCU pha SIN R = P gr−α I + σ2 (5) CEU φSIN R III XÁC SUẤT VÙNG PHỦ A Định nghĩa Đối với CCU, CCU coi vùng phủ sóng SINR kênh điều khiển pha thiết lập lớn SINR ngưỡng T SINR kênh liệu pha truyền tin lớn ngưỡng phủ sóng Tˆ Do đó, xác suất vùng phủ trường hợp CCU định nghĩa sau Pc (T, λ) = P SIN R > Tˆ|SIN R0 > T (6) Trong trường hợp CEU, CEU vùng phủ sóng SINR kênh điều khiển pha thiết lập nhỏ SINR ngưỡng T SINR kênh liệu pha truyền tin lớn ngưỡng phủ sóng Tˆ Xác suất vùng phủ định nghĩa (1) Pe (T, λ) = P φSIN R > Tˆ|SIN R0 < T Với kỹ thuật tái sử dụng tần số mềm mơ tả Hình 1, khối tài ngun (RB) sử dụng CC RB B Tính tốn xác suất vùng phủ 109 (7) a) Với CCU: Xác suất vùng phủ tính tốn sau Pc (T, ) = P gr −α σ +I P > Tˆ, P gr −α σ +I0 P = ∞ re−πλr e− ∞ P g (o) r −α σ +I0 −πλr re E − >T ∆−1 T I0 λ dr =L(T, 0, λ)L(T, 0, ) −α Pr ∆ ∆ =L(T, 0, λ) (11) >T ˆ )σ (T +T P r −α e đó, ta có ˆI T Do đó, xác suất vùng phủ CCU T I0 E e− P r−α − P r−α dr − T σ−α Pr E − PTrI−α dr (8) dr Pc (T, ) = ∞ re−πλr e− ∞ ˆ )σ (T +T P r −α ˆ λ L(T, Tˆ, ∆−1 ∆ λ)L(T, φT , ∆ ) T σ2 re−πλr2 e− P r−α L(T, 0, λ)dr (12) Tử số: : Giá trị kì vọng tử số Phương trình tính sau b) Với CEU: Xác suất vùng phủ CEU tính sau Pe (T, ) L(T, Tˆ) = −α −α (o) Tˆrα rjz gjz + T rα rjz gjz − = E exp φP gr −α σ +I P P gr −α σ +I0 P j∈θc −α −α −α (o) φTˆrα rjz gjz + T rα gjz rjz gjz − = Since each BS in θc is distributed independently to any BS in θe and all channels are independent Rayleigh fading channels, L(Tˆ, T ) = E e −α (o) −α gjz gjz +T r α rjz − Tˆ r α rjz j∈θc (o) E e −α −α gjz gjz +T r α rjz − φTˆ r α rjz = Sử dụng tính chất hàm Probability Generating Function [17] với biến số rjz miền θc and θe , L(Tˆ, T ) 1− ∞ r rjz d(rjz ) −α −α (1+Tˆrα rjz )(1+T rα rjz ) 1− rjz d(rjz ) −α −α ) (1+φTˆrα rjz )(1+T rα rjz (9) Đặt y = (rjz /r) , ta thu L(Tˆ, T ) = e − π(∆−1) λr ∆ e ∞ − 2π ∆ λr = L(T, Tˆ, > 1−P (o) −α Tˆ P g r φ , σ +I0 P gr −α σ +I0 1− ∞ 1 (1+Tˆy−α/2 )(1+T y−α/2 ) 1− L(T, Tˆ, ∆) = e −π∆r ∞ dy (1+φTˆy−α/2 )(1+T y−α/2 ) λ ∆−1 λ)L(T, φTˆ, ) ∆ ∆ 1− >T >T dy (10) (1+Tˆy−α/2 )(1+T y−α/2 ) dy Mẫu số: : Giá trị kì vọng mẫu số Phương trình trường hợp đặc biệt Giá trị kì vọng tử số Tˆ = Do  ˆ rα T Tˆ ∆ −  − φSN  R L(0, e  , λ)   φ ∆     ˆ, λ)   L(0, T   ∆ ∞  −πλr  ˆ T rα 2πλ re   dr  −e− φ +T SN R      ˆ T ∆−1   × L(T, , λ)     φ ∆   λ × L(T, Tˆ, ) ∆ T rα ∞ − 2πλ re−πλr − SN R L(T, λ)dr (14) 1 −α + T r α r −α α ˆ + φT r rjz jz j∈θe − 2π ∆ λ >T P gr −α σ +I Pe (T, ) = jz E e − P Sử dụng kết liên quan CCU Phần III-B0a, đặc biệt định nghĩa từ Phương trình 10, ta có xác suất vùng phủ CEU Phương trình 14 1 −α + Tˆrα r−α + T rα rjz E ∞ r P gr −α σ +I Tˆ φ  j∈θc 2π(∆−1) λ ∆ > Tˆ, P σg +Ir < T IV MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH Trong Hình 3, kết phân tích so sánh với kết mơ để xác nhận tính xác kết phân tích lý thuyết Các kết Hình tạo với tham số SN R = 10 dB α = 3.5 Hình trùng khớp kết phân tích lý thuyết mơ Từ đó, ta khẳng định đắn đánh giá lý thuyết Ảnh hưởng tỉ số công suất CEU CCU Phần xem xét ảnh hưởng tỉ số công suất phục vụ CEU CCU lên hiệu suất người dùng Lưu ý với mơ hình tái sử dụng tần số Hình 1, CCU CEU chịu ảnh hưởng nhiễu từ trạm phát hoạt động CC RB CE RB Trong đó, cơng suất phát CE RB gấp φ lần công suất phát CC RB Với giả thiết tỉ lệ công 110 CCU - Ly thuyet CCU - Mo phong CEU - Ly thuyet CEU - Mo phong 0.9 0.8 0.96 0.7 CCU CEU 0.6 0.94 0.5 0.4 0.3 Xac suat phu song Xac suat phu song (φ=20) 0.98 0.2 0.1 -15 -10 -5 10 15 Nguong phu song Hình 3: So sánh mô φ =2 0.92 0.9 0.88 0.86 0.84 -10 0.95 -5 10 SNR (dB) Hình 5: So sánh mơ Xac suat phu song 0.9 0.85 0.8 CCU CEU 0.75 0.7 0.65 -10 -5 10 SNR (dB) Hình 4: So sánh mô suất phát CE RB CC RB φ cố định cơng suất phát CC RB (SNR) tăng lượng δ công suất phát CE RB tăng lượng φδ Đối với CCU CEU, công suất phát (SNR) tăng lên lượng δ cơng suất phát trạm nhiễu phát CC RB CE RB tăng lên δ φδ Đối với CCU phục vụ CC RB, SNR tăng lên lượng δ cơng suất trạm phục vụ tăng lên δ Trong trường hợp φ = 2, chênh lệch công suất trạm nhiễu phát CE RB công suất trạm phục vụ lần Do đó, lợi ích việc cơng suất tín hiệu phục vụ tăng SNR tăng lớn ảnh hưởng cơng suất nhiễu tăng Điều thể Hình xác suất phủ sóng CCU tăng nhẹ Đối với trường hợp φ = 20, chênh lệch công suất phát trạm nhiễu CE RB công suất trạm phục vụ lớn, 20 lần Do tăng SNR, việc tăng cơng suất tín hiệu phục vụ khơng thể cân việc tăng công suất nhiễu Điều thể Hình xac suất phủ sóng CCU giảm mạnh Đối với CEU phục vụ CC RB, việc tăng công suất phát SNR lên δ đơn vị cơng suất phục vụ tăng lên φδ Do đó, SNR tăng, tốc độ tăng cơng suất tín hiệu phục vụ nhanh cơng suất tính hiệu nhiễu Điều làm SINR CEU kéo theo xác suất nằm vùng phủ sóng CEU tăng Điều thể thê Hình 5: SNR tăng, xác suất nằm vùng phủ sóng CEU tăng 111 V KẾT LUẬN Trong báo này, mơ hình hóa kỹ thuật tái sử dụng tần số mạng LTE dựa theo mô hình xác suất thống kê, trạm phát phân bố ngẫu nhiên theo mơ hình Poisson khơng gian Các kết thu xác suất nằm vùng phủ sóng người dùng kiểm tra mô Monte Carlo Từ kết phân tích, ta kết luận việc tăng cơng suất phát làm suy hao hiệu suất người dùng TÀI LIỆU [1] Cisco, “Cisco visual networking index: Global mobile data traffic forecast update, 2015 ? 2020,” 2016 [2] 3GPP TS 36.213 version 8.8.0 Release 8, “LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures,” November 2009 [3] Huawei, “R1-050507 : Soft Frequency Reuse Scheme for UTRAN LTE,” in 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #41, May 2005 [4] A S Hamza, S S Khalifa, H S Hamza, and K Elsayed, “A Survey on Inter-Cell Interference Coordination Techniques in OFDMA-Based Cellular Networks,” IEEE Commun Surveys & Tutorials, vol 15, no 4, pp 1642–1670, 2013 [5] S E Sagkriotis and A D Panagopoulos, “Optimal ffr policies: Maximization of traffic capacity and minimization of base station?s power consumption,” IEEE Wireless Communications Letters, vol 5, no 1, pp 40–43, Feb 2016 [6] F N C INC., “Enhancing lte cell-edge performance via pdcch icic,” 2011 [7] T Novlan, J Andrews, I Sohn, R Ganti, and A Ghosh, “Comparison of Fractional Frequency Reuse Approaches in the OFDMA Cellular Downlink,” in Global Telecommunications Conf.(GLOBECOM 2010), 2010 IEEE, Dec 2010, pp 1–5 [8] D Daley and D Vere-Jones, An Introduction to the Theory of Point Processes: Volume II: General Theory and Structure, second edition ed Springer Science & Business Media, 2008 [9] H ElSawy, E Hossain, and M Haenggi, “Stochastic Geometry for Modeling, Analysis, and Design of Multi-Tier and Cognitive Cellular Wireless Networks: A Survey,” IEEE Commun Surveys Tutorials, vol 15, no 3, pp 996–1019, Third 2013 [10] M Haenggi, Stochastic Geometry for Wireless Networks Cambridge Univ Press, November 2012 [11] T D Novlan, R K Ganti, A Ghosh, and J G Andrews, “Analytical Evaluation of Fractional Frequency Reuse for OFDMA Cellular Networks,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 10, pp 4294–4305, 2011 [12] Y Lin and W Yu, “Optimizing user association and frequency reuse for heterogeneous network under stochastic model,” in 2013 IEEE Global Commun Conf.(GLOBECOM), Dec 2013, pp 2045–2050 [13] S Kumar, S Kalyani, and K Giridhar, “Optimal design parameters for coverage probability in fractional frequency reuse and soft frequency reuse,” IET Communications, vol 9, no 10, pp 1324–1331, 2015 [14] C Galiotto, N K Pratas, L Doyle, and N Marchetti, “Effect of los/nlos propagation on 5g ultra-dense networks,” Computer Networks, vol 120, pp 126 – 140, 2017 [Online] Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1389128617301536 [15] S C Lam, K Sandrasegaran, and P Ghosal, “Performance analysis of frequency reuse for ppp networks in composite rayleigh–lognormal fading channel,” Wireless Personal Communications, Apr 2017 [16] S C Lam and K Sandrasegaran, “Performance analysis of fractional frequency reuse in uplink random cellular networks,” Phys Commun., vol 25, no P2, pp 469–482, Dec 2017 [Online] Available: https://doi.org/10.1016/j.phycom.2017.09.008 [17] M A Stegun and I A., Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th ed Dover Publications, 1972 112 ... khuyến nghị 3GPP hoạt động mạng LTE kỹ thuật tái sử chưa theo sát cách chặt chẽ Cụ thể như: • Nguyên lý hoạt động pha kỹ thuật tái sử dụng tần số định nghĩa cho CEU • Số lượng nguồn nhiễu công... vùng phủ định nghĩa (1) Pe (T, λ) = P φSIN R > Tˆ|SIN R0 < T Với kỹ thuật tái sử dụng tần số mềm mô tả Hình 1, khối tài ngun (RB) sử dụng CC RB B Tính tốn xác suất vùng phủ 109 (7) a) Với CCU: Xác... Hình 5: SNR tăng, xác suất nằm vùng phủ sóng CEU tăng 111 V KẾT LUẬN Trong báo này, mơ hình hóa kỹ thuật tái sử dụng tần số mạng LTE dựa theo mơ hình xác suất thống kê, trạm phát phân bố ngẫu nhiên